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JPH05231815A - Displacement element, detecting element using it, and scanning tunnel microscope, interatomic force microscope, and information processor using detecting element - Google Patents

Displacement element, detecting element using it, and scanning tunnel microscope, interatomic force microscope, and information processor using detecting element

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Publication number
JPH05231815A
JPH05231815A JP4070128A JP7012892A JPH05231815A JP H05231815 A JPH05231815 A JP H05231815A JP 4070128 A JP4070128 A JP 4070128A JP 7012892 A JP7012892 A JP 7012892A JP H05231815 A JPH05231815 A JP H05231815A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
detection element
electrode
displacement
substrate
voltage
Prior art date
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Granted
Application number
JP4070128A
Other languages
Japanese (ja)
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JP3203433B2 (en
Inventor
Keisuke Yamamoto
敬介 山本
Katsuhiko Shinjo
克彦 新庄
Yasuhiro Shimada
康弘 島田
Osamu Takamatsu
修 高松
Masaru Nakayama
優 中山
Yoshio Suzuki
義勇 鈴木
Takehiko Kawasaki
岳彦 川崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable a displacement element provided with a piezo-electric film and electrodes for displacing the piezo-electric film by utilizing a reverse piezo-electric effect to make high-speed scanning by forming the element in the shape of a both supported beam on an Si substrate. CONSTITUTION:The both supported beam-like displacement element 1 is formed by piling up a common electrode 7 for impressing a voltage, halved electrodes 5a and 5b, and a piezo-electric film 6 on an Si substrate 4 hollowed up by anisotropic etching. A probe 2 is formed at the center of the element 1. The probe 2 can be actuated in Y-axis direction. When, for example, the voltage to be applied across the film 6 is applied from the electrode 5a so that the film 6 can be elongated and from the electrode 5b so that the film 6 can be contracted, the probe 2 is displaced in Y-axis direction. In addition, when a voltage is applied across the common electrode 7 and an electrostatically driving electrode 3, the element 1 can scan in Z-axis due to an electrostatic force. Moreover, since the element 1 is formed to a beam-like shape having no free end, the warping of the element caused by an internal stress can be reduced and the reliability of the element 1 can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
(以下、「STM」と記す)、原子間力顕微鏡(以下、
「AFM」と記す)に用いる変位素子及び該変位素子に
プローブを備えた検出素子及び、かかる検出素子を用い
たSTM,AFMに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as "STM"), an atomic force microscope (hereinafter referred to as "STM").
A displacement element used for “AFM”), a detection element provided with a probe for the displacement element, and an STM and an AFM using the detection element.

【0002】さらに本発明は、STMの手法により情報
の記録、再生及び消去等を行う、上記検出素子を備えた
高密度大容量の情報処理装置に関する。
Further, the present invention relates to a high-density and large-capacity information processing apparatus equipped with the above-mentioned detection element for recording, reproducing and erasing information by the STM method.

【0003】[0003]

【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の
機械的電気素子(マイクロメカニクス)が脚光を浴びる
ようになってきた。
2. Description of the Related Art In recent years, a semiconductor pressure sensor using a semiconductor as a mechanical structure in the background of semiconductor process technology,
Mechanical electrical devices (micromechanics) such as semiconductor acceleration sensors and microactuators have come into the limelight.

【0004】かかる素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハを用い
るためにSiウエハ上に素子と電気回路を一体化できる
ことが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作
製することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産
性の向上を期待できる。特に微小変位素子としては、圧
電体薄膜を利用したカンチレバー状(片持ち梁)のもの
が挙げられ、これは非常に微細な動きを制御することが
可能なので、原子レベル、分子レベルを直接観察できる
STM,AFMに応用されている。例えばスタンフォー
ド大学のクエート等により提案された微小変位素子を用
いたSTMプローブ(IEEE Micro Elec
tro Mechanical Systems,p1
88−199,Feb.1990)がある。これは図1
1に示すようにSiウエハ111のウエハの裏面を一部
除去しシリコンメンブレンを形成し、表面にAl112
とZnO113の薄膜を順次積層し、バイモルフのカン
チレバーを形成しその後、裏面より反応性のドライエッ
チによりシリコンメンブレンとウエハ表面のエッチング
の保護層(シリコン窒化膜)を除去して、STMプロー
ブ変位用のバイモルフカンチレバーを作製している。こ
のカンチレバーの上面自由端部にトンネル電流検知用プ
ローブを取り付け、良好なSTM像を得ている。さらに
図12の様な圧電体121と電極122を積層し圧電体
を4ブロックに分け、3軸駆動が可能な自由端部にトン
ネル電流を検出するプローブが提案されている。かかる
構成によれば図13(a),(b),(c)に示す様に
各電極間に適当なバイアスをかけることによりX,Y,
Z軸の各々単独での駆動は可能となる。例えば、圧電体
にZnOを使用し、その微小変位素子の厚さを5μm、
長さを1000μm、幅を200μmとした時、10V
印加で、その変位量はX軸で約200nm、Y軸で約2
0nm、Z軸で約7500nmである。これはSTMプ
ローブとして3軸駆動が可能でかつ集積化が容易とな
り、優れたものである。
Characteristic features of such an element are that it is possible to provide a small-sized and high-precision mechanical mechanism component, and since the semiconductor wafer is used, the element and the electric circuit can be integrated on the Si wafer. Further, by manufacturing the semiconductor process as a base, it can be expected that the productivity is improved by batch processing of the semiconductor process. In particular, a micro-displacement element includes a cantilever shape (cantilever) that uses a piezoelectric thin film. Since it is possible to control extremely fine movement, it is possible to directly observe at the atomic level and the molecular level. It is applied to STM and AFM. For example, an STM probe (IEEE Micro Elec) using a minute displacement element proposed by Kuwait et al. Of Stanford University
tro Mechanical Systems, p1
88-199, Feb. 1990). This is Figure 1
As shown in FIG. 1, a back surface of the Si wafer 111 is partially removed to form a silicon membrane, and Al 112 is formed on the front surface.
And ZnO113 thin films are sequentially stacked to form a bimorph cantilever, and then the silicon membrane and the wafer protective etching layer (silicon nitride film) on the front surface of the wafer are removed by reactive dry etching from the back surface. We are making bimorph cantilevers. A tunnel current detection probe is attached to the free end of the upper surface of this cantilever to obtain a good STM image. Further, there is proposed a probe as shown in FIG. 12 in which a piezoelectric body 121 and an electrode 122 are laminated and the piezoelectric body is divided into four blocks to detect a tunnel current at a free end portion which can be driven in three axes. With such a configuration, as shown in FIGS. 13 (a), 13 (b) and 13 (c), X, Y,
It is possible to drive each Z axis independently. For example, if ZnO is used for the piezoelectric body, and the thickness of the minute displacement element is 5 μm,
10V when length is 1000μm and width is 200μm
When applied, the amount of displacement is about 200 nm on the X axis and about 2 on the Y axis.
0 nm and about 7500 nm on the Z axis. This is an excellent STM probe because it can be driven in three axes and can be easily integrated.

【0005】一方、STMの手法を用いて、半導体ある
いは高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察
評価、微細加工(E.E.Ehrichs,4th I
nternational Conference o
n Scanning Tunnering Micr
oscopy/spectroscopy,’89,S
13−3)、及び情報処理装置の様々な分野への応用が
研究されている。なかでも、コンピューターの計算情報
等では大容量を有する記録装置の要求に対してますます
高まっており、半導体プロセス技術の進展により、マイ
クロプロセッサが小型化し、計算能力が向上したために
記録装置の小型化が望まれている。これらの要求を満た
す目的で、記録媒体との間隔が微調整可能な駆動手段上
に存在するトンネル電流発生用プローブからなる変換器
から電圧印加することによって記録媒体表面の仕事関数
を変化させる事により記録書き込みし、仕事関数の変化
によるトンネル電流の変化を検知することにより情報の
読み出しを行い最小記録面積が10nm平方となる記録
再生装置が提案されている。
On the other hand, by using the STM method, atomic order and molecular order observation and evaluation of semiconductors or polymer materials and fine processing (EE Ehrichs, 4th I
international Conference o
n Scanning Tuning Micr
oscopy / spectroscopy, '89, S
13-3), and applications of information processing devices to various fields are being studied. In particular, the demand for recording devices with a large capacity for computer calculation information is increasing, and due to advances in semiconductor process technology, microprocessors have become smaller and computing power has improved, resulting in smaller recording devices. Is desired. For the purpose of satisfying these requirements, by changing the work function of the surface of the recording medium by applying a voltage from a converter consisting of a probe for generating a tunnel current existing on a driving means whose distance to the recording medium can be finely adjusted. A recording / reproducing apparatus has been proposed in which information is read out by recording / writing and detecting a change in tunnel current due to a change in work function, and a minimum recording area is 10 nm square.

【0006】また、STMの探針(プローブ)をカンチ
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル電流検知用のプローブ付き
カンチレバーと、そのトンネル電流を増幅処理するアン
プ、カンチレバー駆動とトンネル電流の選択のためのマ
ルチプレクサ、シフトレジスタ、等を積載する記録再生
装置が提案されている。
Further, an STM probe (probe) is formed on the free end side of the cantilever, and the cantilevers that are independently displaced are multi-processed, and further integrated with a semiconductor process, with a probe for detecting a tunnel current on the same substrate. There has been proposed a recording / reproducing apparatus having a cantilever, an amplifier for amplifying the tunnel current thereof, a multiplexer for driving the cantilever and selecting the tunnel current, a shift register, and the like.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバーに
よる駆動走査は、片持ち梁であるので、固有振動数があ
まり高くなく、かつ剛性もあまり高くない。また、従来
のカンチレバー構造では3軸駆動が可能であるものの、
駆動のストロークが小さかった。このため、広域な走査
が行えなかった。また、機械的な衝撃等による問題もす
くなからず生じた。また、従来のカンチレバー構造は構
造体がすべて薄膜である。薄膜には、異種の薄膜同士を
接合ないしは、積層すると、薄膜の内部応力が必然的に
発生する。これは異種の薄膜同士の熱膨張係数の違いや
格子定数の違いによって界面に発生すると考えられる。
とりわけ、薄膜(厚さ2μm以下)では、この界面に発
生した内部応力が非常に大きな問題となってくる。この
応力値の厳密なコントロールは難しいのが現状である。
このため、薄膜で積層したカンチレバーは、この内部応
力のために、反ってしまうという問題があった。このた
めあまり寸法精度を高められなかった。
Since the conventional drive scanning by the cantilever is a cantilever, the natural frequency is not so high and the rigidity is not so high. In addition, although the conventional cantilever structure can drive three axes,
The drive stroke was small. For this reason, wide-area scanning cannot be performed. In addition, problems due to mechanical shocks and the like have occurred without difficulty. Further, in the conventional cantilever structure, the structure is entirely a thin film. When different kinds of thin films are bonded or laminated to each other, internal stress of the thin films inevitably occurs. It is considered that this occurs at the interface due to the difference in thermal expansion coefficient between different kinds of thin films and the difference in lattice constant.
In particular, in a thin film (thickness of 2 μm or less), the internal stress generated at this interface becomes a very serious problem. At present, it is difficult to strictly control this stress value.
For this reason, there is a problem that the cantilever laminated with a thin film warps due to this internal stress. Therefore, the dimensional accuracy could not be improved so much.

【0008】本発明の目的は、上記素子の剛性を高める
とともに、該素子を膜厚方向とSi基板面内方向の同時
駆動を可能とすることにより、より高速の走査が行える
ようにし、さらには該素子の内部応力による反りをなく
し、寸法精度を高めることにある。
An object of the present invention is to increase the rigidity of the above-mentioned element and to enable the element to be simultaneously driven in the film thickness direction and the in-plane direction of the Si substrate, thereby enabling higher-speed scanning, and further. The purpose is to eliminate warpage due to internal stress of the element and improve dimensional accuracy.

【0009】また、本発明の目的は、上記素子を用い
た、信頼性の高いSTM,AFM及び、高密度大容量の
情報処理装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a highly reliable STM, AFM, and a high-density and large-capacity information processing device using the above-mentioned element.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、変位素子をSi基板上に両持ち梁状で形成すること
により剛性を高くでき、かつ、自由端部が存在しないの
で反り量を低く抑えることができる。さらには、該両持
ち梁の長手方向に大きく変位させることができ、圧電体
膜の膜厚方向に静電力によって変位させる手段あるい
は、片持ち梁状変位素子とを組合せることにより、膜厚
方向とSi基板面内方向の同時駆動が可能である。
According to the present invention, since the displacement element is formed in the shape of a doubly supported beam on the Si substrate, the rigidity can be increased, and since there is no free end, the amount of warpage can be reduced. It can be kept low. Further, the both-sided beam can be largely displaced in the longitudinal direction, and a means for displacing the piezoelectric film in the film-thickness direction by an electrostatic force or a combination with a cantilever-shaped displacement element can be used. Simultaneous driving in the in-plane direction of the Si substrate is possible.

【0011】即ち本発明は第一に、圧電体膜と、該圧電
体膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを有す
変位素子であって、該素子がSi基板上に自由端部を有
しないように形成され、該Si基板面内方向に変位する
ことを特徴とする変位素子であり、また上記変位素子が
Si基板上に両持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手
方向に変位、あるいはまたSi基板上に十文字状で形成
され、該Si基板面内の2軸方向に変位することを特徴
とする変位素子であり、さらには上記変位素子に、さら
に圧電体膜の膜厚方向に静電力によって変位させるため
の電極、あるいは、圧電体膜と該圧電体膜を逆圧電効果
により該圧電体膜の膜厚方向に変位させるための電極と
を有す片持ち梁状変位素子を設けたことを特徴とする変
位素子である。
That is, the present invention is, firstly, a displacement element having a piezoelectric film and an electrode for displacing the piezoelectric film by an inverse piezoelectric effect, the element being a free end portion on a Si substrate. And a displacement element formed in the in-plane direction of the Si substrate, wherein the displacement element is formed in a doubly supported beam shape on the Si substrate, and A displacement element formed in a cross shape on the Si substrate and displaced in two axial directions within the surface of the Si substrate. Further, the displacement element further comprises a piezoelectric film. An electrode for displacing in the film thickness direction by electrostatic force, or a cantilever beam having a piezoelectric film and an electrode for displacing the piezoelectric film in the film thickness direction of the piezoelectric film by an inverse piezoelectric effect The displacement element is provided with a displacement element.

【0012】また本発明は第二に、上記本発明第一の変
位素子にプローブ電極を設けたことを特徴とする走査型
トンネル顕微鏡あるいは原子間力顕微鏡に用いられる検
出素子であり、また上記検出素子を同一基板上に複数設
けたことを特徴とする検出素子である。
A second aspect of the present invention is a detecting element for use in a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope, characterized in that a probe electrode is provided on the displacement element according to the first aspect of the present invention. The detection element is characterized in that a plurality of elements are provided on the same substrate.

【0013】また本発明は第三に、上記検出素子と、該
検出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、
該試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するた
めのバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡であり、第四に、上記検出素子
と、該検出素子と試料とを相対移動させるための駆動手
段と、該検出素子のたわみ量に応答して変化するトンネ
ル電流を発生させるための手段と、印加電圧に応じて上
記たわみ量を変化させるための制御手段と、上記トンネ
ル電流の値がほぼ所定の一定値になるように上記制御手
段に電圧を印加するための手段とを備えたことを特徴と
する原子間力顕微鏡であり、第五に、上記検出素子と、
該検出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆動手
段と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パルス電
圧を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出素子
と該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するためのバ
イアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情報処
理装置である。
Further, the present invention thirdly, the above-mentioned detection element, and drive means for relatively moving the detection element and the sample,
A scanning tunneling microscope comprising: a bias voltage applying unit for applying a bias voltage between the sample and the detection element; and fourth, the detection element and the detection element. Driving means for relatively moving the sample, means for generating a tunnel current that changes in response to the amount of deflection of the detection element, and control means for changing the amount of deflection according to the applied voltage. And a means for applying a voltage to the control means so that the value of the tunnel current is substantially a predetermined constant value. Atomic force microscope, fifth: When,
Driving means for relatively moving the detection element and the recording medium, pulse voltage applying means for applying a recording pulse voltage between the detection element and the recording medium, the detection element and the recording medium And a bias voltage applying unit for applying a bias voltage between the information processing device and the information processing device.

【0014】本発明の上記変位素子においては、駆動用
電極及び圧電体膜の材料及び作製方法は従来公知の技
術、例えば半導体産業で一般に用いられている真空蒸着
法やスパッタ法、化学気相成長法などの薄膜作製技術や
フォトリソグラフ技術及びエッチング技術を適用するこ
とができ、その作製方法は本発明を制限するものではな
い。
In the above displacement element of the present invention, the materials and manufacturing method of the driving electrode and the piezoelectric film are conventionally known techniques, for example, vacuum deposition method, sputtering method, chemical vapor deposition method generally used in the semiconductor industry. A thin film manufacturing technique such as a method, a photolithography technique, and an etching technique can be applied, and the manufacturing method does not limit the present invention.

【0015】また、本発明で好適に用いられる情報記録
用の記録媒体としては、電極基板とその上に設けられた
記録層とからなり、しかも電流・電圧特性に於いて、メ
モリースイッチング現象(電気メモリー効果)を持つも
のが利用できる。
Further, the recording medium for information recording preferably used in the present invention comprises an electrode substrate and a recording layer provided thereon, and in addition, in terms of current / voltage characteristics, memory switching phenomenon (electricity Those with a memory effect) can be used.

【0016】本発明で言う電気メモリー効果とは、電圧
印加に対応して少なくとも2つ以上の異なる抵抗状態を
示し、各状態間は記録層の導電率を変化させる閾値を越
えた電圧又は電流を印加することにより自由に遷移し、
また得られた各抵抗状態は閾値を越えない電圧又は電流
を印加する限りにおいてその状態を保持し得ることを言
う。
The electric memory effect referred to in the present invention means at least two different resistance states in response to voltage application, and a voltage or current exceeding a threshold value that changes the conductivity of the recording layer between the states. It can be freely transitioned by applying
It is also said that each of the obtained resistance states can be maintained as long as a voltage or current that does not exceed the threshold value is applied.

【0017】記録層を構成する材料の具体例としては、
例えば下記の様なものが挙げられる。
Specific examples of the material forming the recording layer include:
For example, the following may be mentioned.

【0018】(1)酸化物ガラスやホウ酸塩ガラス或い
は周期律表III,IV,V,VI族元素と化合したS
e,Te,Asを含んだカルコゲン化物ガラス等のアモ
ルファス半導体が挙げられる。それらは光学的バンドギ
ャップEgが0.6〜1.4eV或いは電気的活性化エ
ネルギー△Eが0.7〜1.6eV程度の真性半導体で
ある。カルコゲン化物ガラスの具体例としては、As−
Se−Te系、Ge−As−Se系、Si−Ge−As
−Te系、例えばSi16Ge14As5 Te65(添字は原
子%)、或いはGe−Te−X系、Si−Te−X系
(X=少量のV,VI族元素)例えばGe15Te81Sb
2 2 が挙げられる。
(1) Oxide glass, borate glass, or S compounded with a group III, IV, V, or VI element of the periodic table
Amorphous semiconductors such as chalcogenide glass containing e, Te and As can be mentioned. They are intrinsic semiconductors having an optical bandgap Eg of about 0.6 to 1.4 eV or an electric activation energy ΔE of about 0.7 to 1.6 eV. Specific examples of chalcogenide glass include As-
Se-Te system, Ge-As-Se system, Si-Ge-As
-Te system, for example Si 16 Ge 14 As 5 Te 65 ( suffixes atomic%), or Ge-Te-X type, Si-Te-X type (X = a small amount of V, VI group elements), such as Ge 15 Te 81 Sb
2 S 2 may be mentioned.

【0019】さらにはGe−Sb−Se系カルコゲン化
物ガラスも用いることができる。
Further, Ge—Sb—Se type chalcogenide glass can also be used.

【0020】上記化合物を電極上に堆積したアモルファ
ス半導体層において、膜面に垂直な方向にプローブ電極
を用いて電圧を印加することにより媒体の電気メモリー
効果を発現することができる。
In the amorphous semiconductor layer in which the above compound is deposited on the electrode, the electric memory effect of the medium can be exhibited by applying a voltage in the direction perpendicular to the film surface using a probe electrode.

【0021】係る材料の堆積法としては従来公知の薄膜
形成技術で充分本発明の目的を達成することができる。
例えば好適な成膜法としては、真空蒸着法やクラスター
イオンビーム法等を挙げることができる。一般的には、
係る材料の電気メモリー効果は数μm以下の膜厚で観測
されているが、均一性、記録性の観点から1μm以下の
膜厚のものが良く、さらに500Å以下の膜厚のものが
より好ましい。
As a method of depositing such a material, a conventionally known thin film forming technique can sufficiently achieve the object of the present invention.
For example, as a suitable film forming method, a vacuum vapor deposition method, a cluster ion beam method or the like can be mentioned. In general,
The electric memory effect of such a material has been observed at a film thickness of several μm or less, but a film thickness of 1 μm or less is preferable from the viewpoint of uniformity and recording property, and a film thickness of 500 Å or less is more preferable.

【0022】記録媒体としての記録分解能の観点からも
記録層はできるだけ薄いことが望ましく、さらに好まし
い膜厚は30Å〜200Åの範囲である。
From the viewpoint of the recording resolution of the recording medium, it is desirable that the recording layer be as thin as possible, and the more preferable film thickness is in the range of 30Å to 200Å.

【0023】(2)さらにはテトラキノジメタン(TC
NQ)、TCNQ誘導体、例えばテトラフルオロテトラ
シアノキノジメタン(TCNQF4 )、テトラシアノエ
チレン(TCNE)およびテトラシアノナフトキノジメ
タン(TNAP)などの電子受容性化合物と銅や銀など
の還元電位が比較的低い金属との塩を電極上に堆積した
有機半導体層も挙げることができる。
(2) Furthermore, tetraquinodimethane (TC
NQ), TCNQ derivatives such as tetrafluorotetracyanoquinodimethane (TCNQF 4 ), tetracyanoethylene (TCNE) and tetracyanonaphthoquinodimethane (TNAP), and electron-accepting compounds such as copper and silver. Mention may also be made of organic semiconductor layers in which salts with relatively low metals are deposited on the electrodes.

【0024】係る有機半導体層の形成法としては、銅あ
るいは銀の電極上に前記電子受容性化合物を真空蒸着す
る方法が用いられる。
As a method for forming such an organic semiconductor layer, a method of vacuum-depositing the electron-accepting compound on a copper or silver electrode is used.

【0025】係る有機半導体の電気メモリー効果は、数
十μm以下の膜厚のもので観測されているが、成膜性、
均一性の観点から1μm以下、更には30Å〜500Å
の膜厚のものが好ましい。
The electric memory effect of such an organic semiconductor has been observed at a film thickness of several tens of μm or less.
From the viewpoint of uniformity, 1 μm or less, further 30 Å to 500 Å
It is preferable that the film thickness is.

【0026】(3)またさらにはπ電子準位を持つ群と
σ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に積
層した記録媒体を挙げることができる。
(3) Furthermore, there can be mentioned a recording medium in which molecules having both a group having a π electron level and a group having only a σ electron level are laminated on an electrode.

【0027】本発明に好適なπ電子系を有する色素の構
造としては例えば、フタロシアニン、テトラフェニルポ
ルフィリン等のポルフィリン骨格を有する色素、スクア
リリウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖としても
つアズレン系色素及びキノリン、ベンゾチアゾール、ベ
ンゾオキサゾール等の2ケの含窒素複素環をスクアリリ
ウム基及びクロコニックメチン基により結合したシアニ
ン系類似の色素、またはシアニン色素、アントラセン及
びピレン等の縮合多環芳香族、及び芳香環及び複素環化
合物が重合した鎖状化合物及びジアセチレン基の重合
体、さらにはテトラキノジメタン又はテトラチアフルバ
レンの誘導体及びその類縁体及びその電荷移動錯体、ま
たさらにはフェロセン、トリスビピリジンルテニウム錯
体等の金属錯体化合物が挙げられる。
The structure of the dye having a π-electron system suitable for the present invention is, for example, a dye having a porphyrin skeleton such as phthalocyanine or tetraphenylporphyrin, an azulene dye having a squarylium group and a croconic methine group as a binding chain, and a quinoline. , Benzothiazole, benzoxazole, and other two nitrogen-containing heterocycles linked by a squarylium group and a croconic methine group, or a cyanine dye, or condensed polycyclic aromatic and aromatic rings such as cyanine dye, anthracene and pyrene And a chain compound obtained by polymerizing a heterocyclic compound and a polymer of a diacetylene group, further, a derivative of tetraquinodimethane or tetrathiafulvalene, an analog thereof and a charge transfer complex thereof, and further ferrocene, a trisbipyridine ruthenium complex, etc. Metal complex compound And the like.

【0028】以上の如き低分子材料に加えて、各種の高
分子材料を利用することも可能である。
In addition to the low molecular weight materials as described above, various high molecular weight materials can be used.

【0029】例えばポリイミド又はポリフェニレン、ポ
リチオフェン等の縮合重合体、或いはポリペチドやバク
テリオロドプシン等の生体高分子材料を挙げることがで
きる。
Examples thereof include condensation polymers such as polyimide or polyphenylene and polythiophene, and biopolymer materials such as polypeptide and bacteriorhodopsin.

【0030】有機記録媒体の形成に関しては、具体的に
は蒸着法やクラスターイオンビーム法等の適用も可能で
あるが、制御性、容易性そして再現性から公知の従来技
術の中ではLB法が極めて好適である。
Regarding the formation of the organic recording medium, the vapor deposition method, the cluster ion beam method or the like can be specifically applied, but the LB method is the known prior art because of its controllability, ease and reproducibility. Very suitable.

【0031】[0031]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples.

【0032】実施例1 図1(a)に本実施例の検出素子の斜視図を示す。これ
は、Si基板上に、通常のIC作製プロセスとSiの異
方性エッチングとにより作製したものであり、Si基板
4上に一対の電極をもつ両持ち梁状変位素子1と情報入
出力用プローブ2と静電駆動用電極3とが図のように配
置されている。図示していないが、Si基板4上に検出
素子の動作用回路および信号処理回路等のICが搭載さ
れている。両持ち梁状変位素子1を動作させることによ
って、図示したY軸方向に走査することができ、静電駆
動用電極3を動作することにより、両持ち梁状変位素子
1の中心部をZ軸方向に走査することができる。図1
(a)のA−A断面の模式図を図1(b)に示す。両持
ち梁状変位素子1は異方性エッチングによりくり貫かれ
たSi基板4上に形成され、圧電体に電圧を印加するた
めの共通電極7および2分割された圧電体駆動用電極5
a、5bおよび圧電体膜6が積層されている。この両持
ち梁状変位素子1の中心部にプローブ2が形成されてい
る。この構成によるとプローブ2はY軸方向にアクチュ
エートすることができる。例えば図1(b)の様に圧電
体膜6にかける電圧を2分割された圧電体駆動用電極5
aで圧電体膜6が伸びるように、電極5bを縮む様に電
圧をそれぞれ印加すると結果的にプローブ電極2はY軸
の方向へ変位する。
Example 1 FIG. 1A shows a perspective view of a detecting element of this example. This is manufactured by a normal IC manufacturing process and Si anisotropic etching on a Si substrate, and the cantilever beam displacement element 1 having a pair of electrodes on the Si substrate 4 and the information input / output. The probe 2 and the electrostatic drive electrode 3 are arranged as shown in the figure. Although not shown, ICs such as an operation circuit of the detection element and a signal processing circuit are mounted on the Si substrate 4. By operating the doubly supported beam-shaped displacement element 1, scanning can be performed in the Y-axis direction shown in the figure, and by operating the electrostatic drive electrode 3, the central portion of the doubly supported beam-shaped displacement element 1 can be moved to the Z-axis. Can be scanned in any direction. Figure 1
FIG. 1B shows a schematic view of the AA cross section of FIG. The doubly supported beam-shaped displacement element 1 is formed on a Si substrate 4 which is hollowed out by anisotropic etching, and has a common electrode 7 for applying a voltage to a piezoelectric body and a piezoelectric body driving electrode 5 divided into two.
a, 5b and the piezoelectric film 6 are laminated. The probe 2 is formed at the center of the doubly supported beam-shaped displacement element 1. With this configuration, the probe 2 can be actuated in the Y-axis direction. For example, as shown in FIG. 1B, the piezoelectric body driving electrode 5 in which the voltage applied to the piezoelectric body film 6 is divided into two.
When a voltage is applied so as to contract the electrode 5b so that the piezoelectric film 6 extends at a, the probe electrode 2 is displaced in the Y-axis direction as a result.

【0033】また共通電極7と静電駆動用電極3とに電
圧を印加すると、静電力によりZ軸を走査することがで
きる。
When a voltage is applied to the common electrode 7 and the electrostatic drive electrode 3, the Z axis can be scanned by electrostatic force.

【0034】このような構成によってプローブ2をX,
Z軸に大きく走査することができる。
With such a configuration, the probe 2 is connected to X,
A large scan can be performed on the Z axis.

【0035】次に上述の検出素子の作製方法を説明す
る。図2は本実施例の検出素子の製造工程を示す図であ
る。(100)n型Si基板21の表面にLPCVD装
置(低圧 CVD装置)でSi3 4 膜23を1000
Å成膜してパターニングし(図2(a))、KOH水溶
液等を用いSi3 4 膜22をマスクとし将来、静電駆
動時におけるギャップとなる領域23の異方性エッチン
グを行う(図2(b))。次に、表面にAl等の静電駆
動用電極3を成膜してパターニングする(図2
(c))。次に、犠牲層24を成膜する。本実施例にお
いてはスパッタ法によるZnOを用いた(図2
(d))。この後、イオンミリングにより表面の凹凸を
除去し平滑にした(図2(e))。次に、Pt等の圧電
体駆動用電極25を1000Å成膜しパターニングとエ
ッチングにより形成し、PZTのような圧電体膜26を
スパッタで3000Å成膜し、パターニングを繰り返
す。次にリフトオフ法によりプローブ2を形成する(図
2(f))。次に、ポリイミド等で表面のプローブ2等
を保護し、犠牲層24のZnOを酸でエッチングして除
去し、最後にポリイミドを除去する(図2(g))。
Next, a method of manufacturing the above-mentioned detection element will be described. FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the detection element of this embodiment. The Si 3 N 4 film 23 is formed on the surface of the (100) n-type Si substrate 21 by an LPCVD apparatus (low pressure CVD apparatus) to a thickness of 1000.
Å Film formation and patterning (FIG. 2A), and anisotropic etching of a region 23 which will be a gap during electrostatic drive in the future using the Si 3 N 4 film 22 as a mask using KOH aqueous solution or the like (FIG. 2 (b)). Next, an electrostatic drive electrode 3 such as Al is formed on the surface and patterned (FIG. 2).
(C)). Next, the sacrificial layer 24 is formed. In this example, ZnO formed by the sputtering method was used (FIG. 2).
(D)). After that, the surface irregularities were removed by ion milling to make the surface smooth (FIG. 2 (e)). Next, a piezoelectric body driving electrode 25 of Pt or the like is formed by 1000 Å and patterned and etched to form a piezoelectric film 26 such as PZT by sputtering of 3000 Å, and patterning is repeated. Next, the probe 2 is formed by the lift-off method (FIG. 2F). Next, the surface probe 2 and the like are protected with polyimide or the like, ZnO in the sacrificial layer 24 is etched and removed with an acid, and finally the polyimide is removed (FIG. 2G).

【0036】この様にして作製した検出素子は両持ち梁
構造をもっているので、圧電体薄膜形成時や、電極薄膜
形成時の内部応力が残留していても大きな反りは発生し
なかった。さらに、寸法精度を高めるためには、この両
持ち梁状変位素子の構成薄膜材料が全体として、引っ張
り応力であることが好ましい。
Since the detection element thus manufactured has a double-supported beam structure, no large warpage occurred even when internal stress remained during formation of the piezoelectric thin film or during formation of the electrode thin film. Further, in order to improve the dimensional accuracy, it is preferable that the constituent thin film material of the double-supported beam-shaped displacement element has tensile stress as a whole.

【0037】作製した検出素子の寸法および性能につい
ては、以下の通り、 圧電体薄膜:PZT薄膜 0.3μm 圧電体電極:Pt薄膜 0.1μm 両持ち梁状変位素子長さ: 1000μm 両持ち梁状変位素子幅: 200μm 静電用 ギャップ間距離: 5μm Y軸変位量:0.32×V1 μm(V1:圧電体印加
電圧(V)) Z軸変位量:0.2×V22 μm(V2:静電駆動印
加電圧(V)) Z軸固有振動数 :17.5KHz 機械的Q値 :100 この様に、Y,Z軸に大きく走査できるとともに、高速
応答性、ならびに剛性の高い検出素子を形成することが
できた。さらに所望の応答性ならびに剛性を必要とする
場合は、両持ち梁状変位素子の長さを変えたり、圧電体
膜の材料を変えたり、厚さを変える等の設計を行えばよ
い。本実施例では圧電体膜としてPZTを用いたが、こ
れは、ZnOやAlN、Ta2 5 、PLZT、等の他
の圧電材料でも構わない。さらに電極としてPtを用い
たが、Au、Pd、Ti等の材料でも構わない。犠牲層
として、ZnOを選んだが、Poly−Siやポリイミ
ド等のエッチングの容易な材料であれば何を選んでも良
い。
The dimensions and performances of the produced detection element are as follows: Piezoelectric thin film: PZT thin film 0.3 μm Piezoelectric electrode: Pt thin film 0.1 μm Double-supported beam-shaped displacement element length: 1000 μm Double-supported beam-shaped Displacement element width: 200 μm Electrostatic gap distance: 5 μm Y-axis displacement: 0.32 × V1 μm (V1: Piezoelectric body applied voltage (V)) Z-axis displacement: 0.2 × V2 2 μm (V2: Electrostatic drive applied voltage (V)) Z-axis natural frequency: 17.5 KHz Mechanical Q-value: 100 In this way, a scanning element with high responsiveness and high rigidity can be formed while allowing large scanning in the Y and Z axes. We were able to. Further, when desired responsiveness and rigidity are required, the length of the cantilever beam displacement element may be changed, the material of the piezoelectric film may be changed, the thickness may be changed, or the like. Although PZT is used as the piezoelectric film in this embodiment, other piezoelectric materials such as ZnO, AlN, Ta 2 O 5 , and PLZT may be used. Further, although Pt is used as the electrode, a material such as Au, Pd or Ti may be used. Although ZnO is selected as the sacrificial layer, any material that can be easily etched such as Poly-Si or polyimide may be selected.

【0038】図3は複数の上記検出素子をSi基板上に
一体形成した時の斜視図を示したものである。これには
Si基板4上に両持ち梁状変位素子1、プローブ2のほ
かトンネル電流増幅器31と複数の検出素子の動作の各
種制御や情報を転送することのできるIC32が搭載さ
れている。これは電極パット33に引き出される。
FIG. 3 shows a perspective view when a plurality of the detection elements are integrally formed on a Si substrate. In addition to the doubly supported beam-shaped displacement element 1, the probe 2, the tunnel current amplifier 31 and an IC 32 capable of transferring various kinds of control of operations of a plurality of detection elements and information can be mounted on the Si substrate 4. This is drawn out to the electrode pad 33.

【0039】また、図3の検出素子を用いたSTM装置
を作製した。この装置のブロック図を図4に示す。
Further, an STM device using the detecting element of FIG. 3 was manufactured. A block diagram of this device is shown in FIG.

【0040】本装置では、まず図中41の本実施例で作
製した検出素子にて、42の試料に、2のプローブを近
づけたのち(図中Z方向)、試料42面内のX、Y方向
を、43のX−Yステージにて走査し、プローブ2と試
料42間に、44のバイアス電圧印加回路により電圧を
加え、このとき観察されるトンネル電流を、45のトン
ネル電流増幅回路で読み出し、像観察を行う。
In the present apparatus, first, the probe of 2 was brought close to the sample of 42 (Z direction in the figure) by the detection element manufactured in this example of 41 in the figure, and then X and Y in the plane of the sample 42. The direction is scanned by the 43 XY stage, a voltage is applied between the probe 2 and the sample 42 by the bias voltage applying circuit of 44, and the tunnel current observed at this time is read by the tunnel current amplifying circuit of 45. , Observe the image.

【0041】また、試料42とプローブ2の間隔制御と
X−Yステージの駆動制御は46の駆動制御回路にて行
い、これらの回路のシーケンス制御は47のCPUにて
行う。図には示していないが、X−Yステージ43によ
る走査の機構としては、円筒型ピエゾアクチュエータ、
平行バネ、差動マイクロメータ、ボイスコイル、インチ
ウォーム等の制御機構を用いて行う。
The distance control between the sample 42 and the probe 2 and the drive control of the XY stage are performed by the drive control circuit 46, and the sequence control of these circuits is performed by the CPU 47. Although not shown in the figure, as a scanning mechanism by the XY stage 43, a cylindrical piezo actuator,
This is done using a control mechanism such as a parallel spring, a differential micrometer, a voice coil, and an inch worm.

【0042】この装置にて、試料42にHOPG(グラ
ファイト)板を用いて表面観察を行った。バイアス電圧
印加回路44にて200mVの直流電圧をプローブ2と
試料42の間に加えた。この状態で試料42に沿ってプ
ローブ2を走査してトンネル電流検出回路45を用いて
検出される信号より表面観察を行った。スキャンエリア
を0.05μm×0.05μmとして観察したところ、
良好な原子像を得ることができた。
With this apparatus, the surface of the sample 42 was observed using a HOPG (graphite) plate. A bias voltage applying circuit 44 applied a DC voltage of 200 mV between the probe 2 and the sample 42. In this state, the probe 2 was scanned along the sample 42, and the surface was observed from the signal detected by the tunnel current detection circuit 45. When observing with a scan area of 0.05 μm × 0.05 μm,
A good atomic image could be obtained.

【0043】本発明の検出素子は、剛性も高く、固有振
動数を高くとれるので、高速にSTM像を安定して得る
ことができる。上述のように本発明の検出素子を使って
も良好な走査型トンネル顕微鏡を得ることができる。
The detection element of the present invention has a high rigidity and a high natural frequency, so that an STM image can be stably obtained at high speed. As described above, a good scanning tunneling microscope can be obtained by using the detection element of the present invention.

【0044】図5は、図3の検出素子を用いたAFM装
置のブロック図であり、図4で示したSTMとしての装
置を改良し、プローブ2を力検出用プローブとして用い
たものである。この力検出プローブ2と試料42との間
に働く原子間力を測定し、その大きさを一定にするよう
にフィードバックをかけて、試料表面の構造を得ること
ができる。この場合、検出素子41の両持ち梁(ビー
ム)の変位量を測定するビーム変位量測定装置48は、
各種のものが知られているが、光てこ方式や静電検出方
式等が好適である。AFMでは、トンネル電流を測定し
ていないので、STMにおけるバイアス電圧印加回路や
トンネル電流検出回路等は必要ではないが、その他の同
一の符号を付した部材に関しては先のSTMと同様であ
る。
FIG. 5 is a block diagram of an AFM apparatus using the detecting element of FIG. 3, in which the STM apparatus shown in FIG. 4 is improved and the probe 2 is used as a force detecting probe. The structure of the sample surface can be obtained by measuring the interatomic force acting between the force detection probe 2 and the sample 42 and feeding it back so as to keep its magnitude constant. In this case, the beam displacement amount measuring device 48 for measuring the displacement amount of the both-supported beam (beam) of the detection element 41 is
Various types are known, but an optical lever method, an electrostatic detection method, and the like are preferable. Since the AFM does not measure the tunnel current, a bias voltage applying circuit, a tunnel current detecting circuit, etc. in the STM are not necessary, but other members with the same reference numerals are the same as in the STM.

【0045】AFMの実験についても試料42にHOP
G(グラファイト)板を用いて表面観察を行った。これ
についても良好な原子像を得ることができた。
For the AFM experiment, HOP was added to sample 42.
The surface was observed using a G (graphite) plate. Also for this, a good atomic image could be obtained.

【0046】図6は本発明の検出素子を用いた情報処理
装置の構成図およびブロック図を示している。構造体6
08の内部には本実施例の検出素子601の両持ち梁状
変位素子602、プローブ603およびそれらを制御す
るIC617が傾き補正機構606に取り付けられ、こ
れに対向して記録媒体の基板605および記録媒体60
4がXY走査機構607を介して取り付けられている。
XY走査機構607はXY走査駆動回路609に接続さ
れ、検出素子601はプローブ603、媒体間制御回路
613を介して、マトリクスプローブ制御回路610、
検出素子走査駆動回路611、傾き補正回路612に接
続されている。またマトリクスプローブ制御回路610
はデータの入出力を行う符号器614a、復号器614
bとに接続されている。
FIG. 6 shows a block diagram and a block diagram of an information processing apparatus using the detecting element of the present invention. Structure 6
In the inside of 08, a doubly supported beam-shaped displacement element 602 of the detection element 601 of this embodiment, a probe 603, and an IC 617 for controlling them are attached to a tilt correction mechanism 606, and the substrate 605 of a recording medium and recording are opposed to this. Medium 60
4 is attached via an XY scanning mechanism 607.
The XY scanning mechanism 607 is connected to the XY scanning drive circuit 609, and the detection element 601 is connected to the matrix probe control circuit 610 via the probe 603 and the medium control circuit 613.
It is connected to the detection element scan drive circuit 611 and the inclination correction circuit 612. Also, the matrix probe control circuit 610
Is an encoder 614a for inputting / outputting data, a decoder 614
It is connected to b.

【0047】これらはマイクロコンピューター615と
接続してあり、表示装置616で情報の内容を確認でき
る。
These are connected to the microcomputer 615, and the contents of information can be confirmed on the display device 616.

【0048】ここで、書き込みデータは符号器614a
により符号化され、マトリクスプローブ制御回路610
に転送し、検出素子601を駆動し記録媒体604に書
き込む。データを読みだす時には、マイクロコンピュー
ター615により読みだすべきアドレスを発生し、マト
リクスプローブ制御回路610を駆動する。マトリクス
プローブ制御回路610はこのアドレスに従って検出素
子601からの複数の各プローブ603からの信号を読
みだし、復号器614bに転送する。
Here, the write data is the encoder 614a.
Is encoded by the matrix probe control circuit 610.
To the recording medium 604 by driving the detection element 601. When reading data, the microcomputer 615 generates an address to be read and drives the matrix probe control circuit 610. The matrix probe control circuit 610 reads the signals from the plurality of probes 603 from the detection element 601 according to this address and transfers them to the decoder 614b.

【0049】復号器614bはこの信号からエラー検出
または、エラー訂正を行いデータを出力する。
The decoder 614b performs error detection or error correction from this signal and outputs data.

【0050】マトリクスプローブ制御回路610によ
り、各プローブ電極に流れるトンネル電流の情報を直接
読みだし、プローブ、媒体間距離制御回路613により
基準位置からのずれを検出し、個々のプローブ603の
Z方向制御は検出素子走査駆動回路611により制御
し、検出素子601の姿勢を正す必要がある場合は傾き
補正回路612により行う。
The matrix probe control circuit 610 directly reads the information of the tunnel current flowing through each probe electrode, the probe-medium distance control circuit 613 detects the deviation from the reference position, and the Z direction control of each probe 603 is performed. Is controlled by the detection element scanning drive circuit 611, and when it is necessary to correct the posture of the detection element 601, the inclination correction circuit 612 performs it.

【0051】図6(b)は本情報処理装置での記録再生
をする様子を示したものである。検出素子601と記録
媒体604とを対向させる。尚、記録媒体604には、
ガラス基板605上にAu電極を100nm真空蒸着し
たものを用いた。まずプローブ603とAu電極からな
る記録媒体604とに電圧0.5V印加する。次にプロ
ーブ603と記録媒体604との間のトンネル電流値が
1nA程度になるように静電駆動用電極3に電圧をか
け、プローブ2をZ軸に変位させる。その後、記録媒体
に摂動を加え、選択的に乱れを生じさせるために、5V
のパルス電圧(1μsec)を加えると記録ビット61
8が形成される。その後、圧電体に電圧を印加し両持ち
梁状変位素子602によりX方向に走査し、記録ビット
を次々と記録していく。次にこの記録ビットの再生方法
は、トンネル電流値が一定になるように、静電駆動用電
極3に電圧を制御し、この静電駆動用電極をかけた電圧
を判断することによって、記録ビットの有無を判断する
ことができる。
FIG. 6B shows how the information processing apparatus records and reproduces data. The detection element 601 and the recording medium 604 are opposed to each other. The recording medium 604 has
A glass substrate 605 on which an Au electrode was vacuum-deposited with a thickness of 100 nm was used. First, a voltage of 0.5 V is applied to the probe 603 and the recording medium 604 including an Au electrode. Next, a voltage is applied to the electrostatic drive electrode 3 so that the tunnel current value between the probe 603 and the recording medium 604 is about 1 nA, and the probe 2 is displaced along the Z axis. After that, in order to apply a perturbation to the recording medium and selectively generate disturbance, 5 V is applied.
When the pulse voltage of (1 μsec) is applied, the recording bit 61
8 is formed. After that, a voltage is applied to the piezoelectric body and scanning is performed in the X direction by the both-end beam-shaped displacement element 602, and recording bits are recorded one after another. Next, in the reproducing method of the recording bit, the voltage is controlled to the electrostatic driving electrode 3 so that the tunnel current value becomes constant, and the voltage applied to the electrostatic driving electrode is judged to determine the recording bit. It is possible to determine the presence or absence of.

【0052】本実施例の情報処理装置により、記録情報
の書き込み、読み出し、消去を再現性よく安定にかつ高
速に行えることが確認できた。
It has been confirmed that the information processing apparatus of this embodiment can write, read, and erase recorded information with good reproducibility, stability, and high speed.

【0053】実施例2 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。実
施例1と違う点は検出素子がX,Y,Zの3軸に走査す
ることにある。
Example 2 In this example, another mode of the detecting element of the present invention is shown. The difference from the first embodiment is that the detection element scans in three axes of X, Y, and Z.

【0054】図7は、本実施例の検出素子の斜視図であ
る。実施例1と同様にSi基板4上に形成され、圧電体
に電圧を印加するための共通電極7および4分割された
圧電体駆動用電極71および圧電体膜6が積層されてな
る両持ち梁状変位素子1とプローブ2があり、中心部に
走査し易い様にヒンジ70を有している。4分割された
圧電体駆動用電極71にそれぞれ任意の電圧を印加する
ことによって、X軸にも走査することができるのが本実
施例の特徴である。この検出素子を用いたSTM,AF
M及び情報処理装置においても実施例1と同様な結果が
得られた。
FIG. 7 is a perspective view of the detecting element of this embodiment. As in the first embodiment, a doubly supported beam which is formed on the Si substrate 4 and is formed by laminating the common electrode 7 for applying a voltage to the piezoelectric body, the piezoelectric body driving electrode 71 divided into four, and the piezoelectric body film 6. There is a linear displacement element 1 and a probe 2, and a hinge 70 is provided at the center for easy scanning. The feature of the present embodiment is that the X axis can be scanned by applying an arbitrary voltage to each of the four piezoelectric driving electrodes 71. STM and AF using this detection element
The same results as in Example 1 were obtained for M and the information processing apparatus.

【0055】実施例3 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。図
8は本実施例の検出素子の斜視図である。これは実施例
1、2の検出素子と同様の構成でSi基板4上に形成さ
れた直交する十文字型の両持ち梁状変位素子80でX
軸、Y軸を走査するとともに、静電駆動用電極3により
Z軸を走査するものである。このような構成でも集積化
に適することはいうまでもない。また、この検出素子を
用いたSTM,AFM及び情報処理装置においても実施
例1と同様な結果が得られた。
Example 3 In this example, another mode of the detecting element of the present invention is shown. FIG. 8 is a perspective view of the detection element of this embodiment. This is a cross-shaped cross-supporting beam-shaped displacement element 80 of the orthogonal cross shape formed on the Si substrate 4 with the same configuration as that of the detection elements of Examples 1 and 2.
The Z axis is scanned by the electrostatic drive electrode 3 while scanning the axis and the Y axis. It goes without saying that such a configuration is also suitable for integration. Further, the same results as in Example 1 were obtained also in the STM, AFM and information processing apparatus using this detection element.

【0056】実施例4 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。図
9は本実施例の検出素子の斜視図である。
Embodiment 4 This embodiment shows another mode of the detecting element of the present invention. FIG. 9 is a perspective view of the detection element of this embodiment.

【0057】これは両持ち梁状変位素子1,1’を動作
させることによって、ビーム91を支点としてプローブ
2をX軸に走査することができる。図9(a)のA−A
断面の模式図を図9(b)に示す。片持ち梁状変位素子
92はSiでできているビーム91の上に形成し、圧電
体膜に電圧を印加するための下部電極93および中電極
94、上部電極95と圧電体膜96、97が積層されて
構成されている。この構成によるとバイモルフ圧電素子
としてZ軸方向にアクチュエートすることができる。こ
の片持ち梁状変位素子92の自由端部にプローブ2が形
成されている。電源98より圧電体駆動用電極に電圧を
かけると例えば図示のように圧電体膜96は伸び、圧電
体薄膜97は縮む。この結果プローブ2は図示した方向
に上がる。次に図9(a)のB−B断面の模式図を図9
(c)に示す。これは中心部に片持ち梁状変位素子92
があり両脇に両持ち梁状変位素子1,1’が形成されて
いる。電源99,99’により圧電体駆動用電極に電圧
を印加すると、例えば図示のように片持ち梁状変位素子
92は変位することができる。
By operating the doubly supported beam-shaped displacement elements 1 and 1 ', the probe 2 can be scanned along the X axis with the beam 91 as a fulcrum. 9A of FIG.
A schematic view of the cross section is shown in FIG. The cantilever-shaped displacement element 92 is formed on a beam 91 made of Si, and includes a lower electrode 93 and a middle electrode 94 for applying a voltage to the piezoelectric film, an upper electrode 95, and piezoelectric films 96 and 97. It is configured by stacking. With this configuration, the bimorph piezoelectric element can be actuated in the Z-axis direction. The probe 2 is formed at the free end of the cantilever displacement element 92. When a voltage is applied from the power source 98 to the piezoelectric body driving electrode, the piezoelectric body film 96 expands and the piezoelectric body thin film 97 contracts, as shown in the figure. As a result, the probe 2 moves up in the direction shown. Next, a schematic view of the BB cross section of FIG. 9A is shown in FIG.
It shows in (c). This is a cantilever displacement element 92 at the center.
There are double-supported beam-shaped displacement elements 1 and 1'on both sides. When a voltage is applied to the piezoelectric body driving electrode by the power sources 99 and 99 ', the cantilever displacement element 92 can be displaced as shown in the figure.

【0058】このような構成においてはプローブ2を
X,Z軸に大きく走査することができる。
In such a structure, the probe 2 can be largely scanned along the X and Z axes.

【0059】この検出素子を用いたSTM,AFM及び
情報処理装置においても、実施例1と同様な結果が得ら
れた。
Also in the STM, AFM and information processing apparatus using this detecting element, the same results as in Example 1 were obtained.

【0060】実施例5 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。実
施例4と違う点は両持ち梁状変位素子で複数の片持ち梁
状変位素子をX軸走査することにある。
Embodiment 5 This embodiment shows another mode of the detecting element of the present invention. The difference from the fourth embodiment is that a plurality of cantilever beam displacement elements are scanned in the X-axis by the both-end beam displacement element.

【0061】図10は、本実施例の検出素子の斜視図で
ある。実施例4と同様にSi基板4上に複数の片持ち梁
状変位素子92とプローブ2があり、両持ち梁状変位素
子1によりビーム91を支点に形成されている。両持ち
梁状変位素子1に電圧を印加することにより片持ち梁状
変位素子92をX軸に走査することができる。この検出
素子を用いたSTM,AFM及び情報処理装置において
も実施例1と同様な結果が得られた。
FIG. 10 is a perspective view of the detection element of this embodiment. Similar to the fourth embodiment, a plurality of cantilever beam displacement elements 92 and the probe 2 are provided on the Si substrate 4, and the beam 91 is formed by the cantilever beam displacement elements 1 as a fulcrum. By applying a voltage to the cantilever beam displacement element 1, the cantilever beam displacement element 92 can be scanned along the X axis. The same results as in Example 1 were obtained also in the STM, AFM and information processing apparatus using this detection element.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の変位素子
では、Si基板上に両持ち梁状で形成することにより、
従来のカンチレバー状変位素子よりも剛性を高め、ま
た、該素子の膜厚方向とSi基板面内方向の同時駆動を
可能にしたことにより、より高速の走査が行える。
As described above, in the displacement element of the present invention, since it is formed in a double-supported beam shape on the Si substrate,
Since the rigidity is higher than that of the conventional cantilever displacement element and the simultaneous driving of the element in the film thickness direction and the in-plane direction of the Si substrate is possible, higher speed scanning can be performed.

【0063】また、自由端の存在しない本発明の変位素
子では、内部応力による反りを低減でき、より信頼性の
高い素子となった。
Further, in the displacement element of the present invention having no free end, warpage due to internal stress can be reduced, and the element has higher reliability.

【0064】さらに本発明の検出素子を用いたSTM,
AFMでは、より高速に表面観察を行うことができ、良
好な原子像を得ることが可能となった。
Further, an STM using the detecting element of the present invention,
With AFM, the surface can be observed at a higher speed, and a good atomic image can be obtained.

【0065】またさらには、本発明の検出素子を用いた
情報処理装置では、記録情報の書き込み、読み出し、消
去を再現性よく安定に、かつ、より高速に行えることが
可能となった。
Furthermore, in the information processing apparatus using the detecting element of the present invention, it becomes possible to write, read, and erase recorded information with good reproducibility, stability, and at a higher speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の検出素子の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a detection element of the present invention.

【図2】本発明の検出素子の製造工程を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the detection element of the present invention.

【図3】複数の検出素子をSi基板上に一体形成した時
の斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view when a plurality of detection elements are integrally formed on a Si substrate.

【図4】本発明のSTM装置のブロック図である。FIG. 4 is a block diagram of the STM device of the present invention.

【図5】本発明のAFM装置のブロック図である。FIG. 5 is a block diagram of an AFM device of the present invention.

【図6】本発明の情報処理装置の構成図及びブロック図
である。
FIG. 6 is a block diagram and a block diagram of an information processing apparatus of the present invention.

【図7】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。
FIG. 7 is a perspective view showing another aspect of the detection element of the present invention.

【図8】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。
FIG. 8 is a perspective view showing another aspect of the detection element of the present invention.

【図9】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。
FIG. 9 is a perspective view showing another aspect of the detection element of the present invention.

【図10】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図で
ある。
FIG. 10 is a perspective view showing another aspect of the detection element of the present invention.

【図11】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view of a conventional bimorph cantilever type probe.

【図12】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
構成を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional bimorph cantilever type probe.

【図13】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
駆動を説明するための図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining driving of a conventional bimorph cantilever type probe.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 両持ち梁状変位素子 2 プローブ 3 静電駆動用電極 4 Si基板 5a,5b 2分割された圧電体駆動用電極 6 圧電体膜 7 共通電極 21 (100)n型Si基板 22 Si3 4 膜 23 静電駆動時のギャップとなる領域 24 犠牲層 25 圧電体駆動用電極 31 トンネル電流増幅器 32 IC 33 電極パット 41 検出素子 42 試料 43 X−Yステージ 44 バイアス電圧印加回路 45 トンネル電流検出回路 46 駆動制御回路 47 CPU 48 ビーム変位量測定装置 601 検出素子 602 両持ち梁変位素子 603 プローブ 604 記録媒体 605 記録媒体の基板 606 傾き補正機構 607 XY走査機構 608 構造体 609 XY走査駆動回路 610 マトリクスプローブ制御回路 611 検出素子走査駆動回路 612 傾き補正回路 613 媒体間制御回路 614a 符号器 614b 復号器 615 マイクロコンピューター 616 表示装置 617 IC 618 記録ビット 70 ヒンジ 80 十文字型の両持ち梁状変位素子 91 ビーム 92 片持ち梁状変位素子 93 下部電極 94 中電極 95 上部電極 96,97 圧電体膜 98,99,99’ 電源 111 Siウエハ 112 Al 113 ZnO 121 圧電体 122 電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Doubly supported beam-shaped displacement element 2 Probe 3 Electrostatic drive electrode 4 Si substrate 5a, 5b 2 Divided piezoelectric body drive electrode 6 Piezoelectric film 7 Common electrode 21 (100) n-type Si substrate 22 Si 3 N 4 Membrane 23 Region to be a gap during electrostatic driving 24 Sacrificial layer 25 Piezoelectric body driving electrode 31 Tunnel current amplifier 32 IC 33 Electrode pad 41 Detection element 42 Sample 43 XY stage 44 Bias voltage application circuit 45 Tunnel current detection circuit 46 Drive control circuit 47 CPU 48 Beam displacement measuring device 601 Detection element 602 Cantilever beam displacement element 603 Probe 604 Recording medium 605 Recording medium substrate 606 Tilt correction mechanism 607 XY scanning mechanism 608 Structure 609 XY scanning driving circuit 610 Matrix probe control Circuit 611 Detection element scan drive circuit 612 Tilt Correction circuit 613 Inter-media control circuit 614a Encoder 614b Decoder 615 Microcomputer 616 Display device 617 IC 618 Recording bit 70 Hinge 80 Cross-shaped double-ended beam displacement element 91 Beam 92 Cantilever beam displacement element 93 Lower electrode 94 Medium Electrode 95 Upper electrode 96,97 Piezoelectric film 98,99,99 'Power supply 111 Si wafer 112 Al 113 ZnO 121 Piezoelectric 122 electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高松 修 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 中山 優 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 鈴木 義勇 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 川崎 岳彦 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Osamu Takamatsu 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Yu Nakayama 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon (72) Inventor Yoshiyuki Suzuki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Takehiko Kawasaki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電体膜と、該圧電体膜を逆圧電効果に
より変位させるための電極とを有す変位素子であって、
該素子がSi基板上に自由端部を有しないように形成さ
れ、該Si基板面内方向に変位することを特徴とする変
位素子。
1. A displacement element having a piezoelectric film and an electrode for displacing the piezoelectric film by an inverse piezoelectric effect,
A displacement element, characterized in that the element is formed on a Si substrate so as not to have a free end and is displaced in the in-plane direction of the Si substrate.
【請求項2】 請求項1記載の変位素子がSi基板上に
両持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手方向に変位す
ることを特徴とする変位素子。
2. A displacement element according to claim 1, wherein the displacement element is formed in a doubly supported beam shape on a Si substrate, and is displaced in the longitudinal direction of the doubly supported beam.
【請求項3】 請求項1記載の変位素子が、Si基板上
に十文字状で形成され、該Si基板面内の2軸方向に変
位することを特徴とする変位素子。
3. The displacement element according to claim 1, wherein the displacement element is formed in a cross shape on a Si substrate and is displaced in two axial directions within the surface of the Si substrate.
【請求項4】 請求項1〜3記載の変位素子に、さらに
圧電体膜の膜厚方向に静電力によって変位させるための
電極を設けたことを特徴とする変位素子。
4. A displacement element according to any one of claims 1 to 3, further comprising an electrode for displacing the piezoelectric film in the film thickness direction by an electrostatic force.
【請求項5】 請求項1〜3記載の変位素子に、圧電体
膜と該圧電体膜を逆圧電効果により該圧電体膜の膜厚方
向に変位させるための電極とを有す片持ち梁状変位素子
を組み合せたことを特徴とする変位素子。
5. The cantilever beam according to claim 1, further comprising a piezoelectric film and an electrode for displacing the piezoelectric film in a film thickness direction of the piezoelectric film by an inverse piezoelectric effect. Displacement element comprising a combination of linear displacement elements.
【請求項6】 請求項1〜5記載の変位素子にプローブ
電極を設けたことを特徴とする検出素子。
6. A detection element comprising the displacement element according to claim 1 provided with a probe electrode.
【請求項7】 請求項6記載の検出素子を同一基板上に
複数設けたことを特徴とする検出素子。
7. A detection element comprising a plurality of the detection elements according to claim 6 provided on the same substrate.
【請求項8】 請求項6又は7記載の検出素子と、該検
出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、該
試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するため
のバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡。
8. The detection element according to claim 6, a drive means for relatively moving the detection element and the sample, and a bias for applying a bias voltage between the sample and the detection element. A scanning tunneling microscope comprising: a voltage applying unit.
【請求項9】 請求項6又は7記載の検出素子と、該検
出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、該
検出素子のたわみ量に応答して変化するトンネル電流を
発生させるための手段と、印加電圧に応じて上記たわみ
量を変化させるための制御手段と、上記トンネル電流の
値がほぼ所定の一定値になるように上記制御手段に電圧
を印加するための手段とを備えたことを特徴とする原子
間力顕微鏡。
9. The detection element according to claim 6, drive means for relatively moving the detection element and the sample, and for generating a tunnel current that changes in response to the amount of deflection of the detection element. Means, a control means for changing the deflection amount according to an applied voltage, and a means for applying a voltage to the control means so that the value of the tunnel current becomes a predetermined constant value. Atomic force microscope characterized in that
【請求項10】 請求項6又は7記載の検出素子と、該
検出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆動手段
と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パルス電圧
を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出素子と
該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するためのバイ
アス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情報処理
装置。
10. A detection element according to claim 6, drive means for relatively moving the detection element and a recording medium, and a recording pulse voltage is applied between the detection element and the recording medium. An information processing apparatus comprising: a pulse voltage applying unit for applying a bias voltage; and a bias voltage applying unit for applying a bias voltage between the detection element and the recording medium.
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